KR100977834B1 - ???? Image Sensor with Wide Dynamic Range - Google Patents

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전민현
김진수
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인제대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 씨모스 이미지 센서(CMOS Image Sensor)의 픽셀 아웃 노드에 형성되는 NMOS, PMOS의 ON-OFF 특성을 이용하여 넓은 범위의 빛의 세기를 구분할 수 있도록 한 넓은 동적 범위을 갖는 씨모스 이미지 센서에 관한 것으로, 입사되는 빛에 의해 신호 전하를 생성하는 포토다이오드;상기 포토다이오드에서 생성된 신호 전하에 의해 포텐셜 레벨이 변화되는 픽셀 아웃 노드;상기 픽셀 아웃 노드의 포텐셜 변화에 의해 소오스단의 바이어스가 변화되는 셀렉트 트랜지스터;로우 선택 신호에 의해 포텐셜 레벨을 컬럼 선택 라인으로 출력하는 액세스 트랜지스터;상기 픽셀 아웃 노드와 VDD 단자 사이에 서로 직렬 연결 구성되어 입사되는 빛의 세기에 따라 신호 전하의 오버플로우를 제어하는 제 1,2 동적 범위 제어 소자를 포함하고, 단위 픽셀이 구성된다.The present invention relates to a CMOS image sensor having a wide dynamic range to distinguish a wide range of light intensities using the ON-OFF characteristics of NMOS and PMOS formed at the pixel out node of the CMOS image sensor. A photodiode for generating a signal charge by incident light; A pixel out node whose potential level is changed by a signal charge generated by the photodiode; A bias of a source terminal is changed by a potential change of the pixel out node. An access transistor configured to output a potential level to a column select line by a row select signal; configured to be connected in series with each other between the pixel out node and the VDD terminal to control an overflow of signal charge according to an intensity of incident light And a first and second dynamic range control elements, wherein the unit pixels are constructed.

포토전류, OFD Node 전압, APS, CIS, 동적 범위, 광감도 Photocurrent, OFD Node Voltage, APS, CIS, Dynamic Range, Light Sensitivity

Description

넓은 동적 범위을 갖는 씨모스 이미지 센서{ＣＭＯＳ Image Sensor with Wide Dynamic Range}CMOS Image Sensor with Wide Dynamic Range

본 발명은 씨모스 이미지 센서(CMOS Image Sensor)에 관한 것으로, 픽셀 아웃 노드에 형성되는 NMOS, PMOS의 ON-OFF 특성을 이용하여 넓은 범위의 빛의 세기를 구분할 수 있도록 한 넓은 동적 범위을 갖는 씨모스 이미지 센서에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a CMOS image sensor, and has a wide dynamic range capable of distinguishing a wide range of light intensities by using ON-OFF characteristics of NMOS and PMOS formed at a pixel out node. Relates to an image sensor.

최근 디지털 영상 기기 시장의 확대로 인해 CCD(Charge-coupled device)와 CIS(CMOS Image Sensor)와 같은 이미지 센서에 대한 관심이 높아지고 있다. Recently, due to the expansion of the digital imaging device market, interest in image sensors such as charge-coupled device (CCD) and CMOS image sensor (CIS) is increasing.

이미지 센서는 디지털 카메라, 휴대전화 카메라나 DSC(Digital Still Camera)등에서 영상을 생성해 내는 영상 촬영 소자 부품을 일컫는 것이며, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)는 현재 메모리와 컴퓨터 CPU등 반도체 칩에서 구현에 사용되며, 전 반도체 칩 구현 방식 중 가장 많이 사용되는 방식이다.An image sensor refers to a video photographing device component that generates an image from a digital camera, a mobile phone camera, or a digital still camera (DSC) .Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) is currently used in semiconductor chips such as memory and computer CPUs. It is the most widely used method among all semiconductor chip implementation methods.

CMOS는 PMOS와 NMOS 트랜지스터를 가지고 구현하며, 이를 통해 저전력을 실현할 수 있다. CMOS 이미지 센서는 이러한 CMOS 기술을 이용한 화상 정보 감지기이 다. CMOS is implemented with PMOS and NMOS transistors, enabling low power. CMOS image sensors are image information sensors using this CMOS technology.

CMOS 이미지 센서는 인식한 광자에 비례하여 광전류를 생성하는 포토다이오드(Photodiode) 또는 광검출기(Photodetector) 그리고 잡음 제거, 증폭, 단위 픽셀 선택 등의 역할을 수행하는 적어도 하나 이상의 트랜지스터로 구성되는 단위 픽셀을 2차원으로 배열하여 상기 단위 픽셀에서 생성되는 각각의 출력값을 통해 이미지를 인식한다.The CMOS image sensor includes a unit pixel consisting of a photodiode or photodetector that generates a photocurrent in proportion to the recognized photons, and at least one transistor that performs noise cancellation, amplification, unit pixel selection, and the like. The image is recognized through each output value generated from the unit pixel by arranging in two dimensions.

CCD 방식은 각 전하의 양을 읽기 위해 각 수광소광에 저장된 전하를 이동시키는데 반해, CMOS 이미지 센서는 각 수광소자에 CMOS 트랜지스터가 집적되어 있어 각 수광소자가 받는 빛의 양을 직접 전하로 변환 시켜 직접 그 양을 측정한다.The CCD method transfers the charge stored in each light-receiving light source to read the amount of each charge, whereas the CMOS image sensor directly converts the amount of light received by each light-receiving device by directly converting the amount of light received by each light-receiving device. Measure the amount.

즉, CMOS 이미지 센서는 광자를 전자로 변환시킨후 하나의 수광소자에 하나의 트랜지스터가 있어, 개개의 수광소자가 받은 광자를 전자로 변환하고, 이를 다시 전압으로 변환하는 과정을 거쳐 아날로그 데이터를 디지털로 변환시킴으로써 화상 데이터를 저장한다.In other words, the CMOS image sensor converts photons to electrons, and there is one transistor in one light receiving device. The photoelectric device converts photons to electrons and converts the photons into voltages, thereby converting analog data to digital. The image data is stored by converting to.

이하에서 3TR 구조의 CMOS 이미지 센서의 구조 및 센싱 동작을 설명한다.Hereinafter, a structure and a sensing operation of a CMOS image sensor having a 3TR structure will be described.

도 1은 일반적인 CMOS 이미지 센서의 3TR 구조의 픽셀 구성도이다.1 is a pixel configuration diagram of a 3TR structure of a general CMOS image sensor.

먼저, 게이트에 리셋 신호 입력 단자(2)를 통하여 리셋 신호가 인가되고 한쪽 전극은 플로팅 노드(5)에 연결되고 다른쪽 전극은 VDD 단자(3)에 연결되는 리셋 트랜지스터(1)와, 게이트가 플로팅 노드(5)에 연결되고 한쪽 전극은 VDD 단자(3)에 연결되는 셀렉트 트랜지스터(4)와, 게이트에는 Row 선택 신호 입력 단자(8)를 통하여 Row 선택 신호가 입력되고 상기 셀렉트 트랜지스터(4)에 직렬 연결되어 한쪽 전 극이 칼럼 선택 라인(9)에 연결되는 액세스 트랜지스터(7)와, 상기 플로팅 노드(5)와 접지 단자(10)사이에 구성되는 포토다이오드(6)를 포함하여 구성된다.First, a reset signal is applied to a gate through a reset signal input terminal 2, a reset transistor 1 having one electrode connected to the floating node 5 and the other electrode connected to a VDD terminal 3, and a gate A select transistor 4 connected to the floating node 5 and one electrode connected to the VDD terminal 3, and a row select signal is input to a gate through a row select signal input terminal 8, and the select transistor 4 is input. An access transistor (7) connected in series with one electrode connected to the column select line (9), and a photodiode (6) configured between the floating node (5) and the ground terminal (10). .

여기서, 플로팅 노드(5)는 픽셀 아웃 노드이다.Here, the floating node 5 is a pixel out node.

이와 같은 3TR 픽셀 구조의 CMOS 이미지 센서의 센싱 동작은 다음과 같다.The sensing operation of the CMOS image sensor having the 3TR pixel structure is as follows.

포토다이오드(6)에 외부에서 입사되는 빛에 의하여 전하들이 축적된다.Charges are accumulated by light incident from the outside on the photodiode 6.

축적된 신호 전하는 리셋 트랜지스터(1)의 소오스단인 플로팅 노드(5)의 전위를 변화시키며 이는 픽셀 레벨 소오스 팔로워(pixel level source follower)의 드라이버인 셀렉트 트랜지스터(4)의 게이트 포텐셜을 변화시키게 된다.The accumulated signal charge changes the potential of the floating node 5, which is the source end of the reset transistor 1, which changes the gate potential of the select transistor 4, which is the driver of the pixel level source follower.

셀렉트 트랜지스터(4)의 게이트 포텐셜 변화는 셀렉트 트랜지스터(4)의 소오스단 또는 액세스 트랜지스터(7)의 드레인 노드의 바이어스를 변화시킨다.The change in the gate potential of the select transistor 4 changes the bias of the source terminal of the select transistor 4 or the drain node of the access transistor 7.

이와 같이 신호 전하들이 축적되는 동안 리셋 트랜지스터(1)의 소오스단과 셀렉트 트랜지스터(4)의 소오스단의 포텐셜이 변화하게 되며, 이때 액세스 트랜지스터(7)의 게이트에 로우 선택 신호 입력 단자(8)를 통하여 로우 선택 신호가 입력되면 포토다이오드(6)에서 생성된 신호 전하에 의한 전위차를 칼럼 선택 라인(9)쪽으로 출력하게 된다.In this manner, while the signal charges are accumulated, the potentials of the source terminal of the reset transistor 1 and the source terminal of the select transistor 4 are changed. At this time, the gate of the access transistor 7 is connected to the gate of the access transistor 7 through the row select signal input terminal 8. When the row select signal is input, the potential difference due to the signal charge generated in the photodiode 6 is output to the column select line 9.

이와 같이 포토다이오드(6)의 전하 생성에 의한 신호 레벨을 검출한 후에 리셋 신호 입력 단자(2)를 통한 리셋 신호에 의해 리셋 트랜지스터(1)가 온(ON) 상태로 바뀌게 되면서 포토다이오드(6)에 축적된 신호 전하는 전부 리셋된다.After detecting the signal level due to the charge generation of the photodiode 6 as described above, the reset transistor 1 is turned on by the reset signal through the reset signal input terminal 2 and the photodiode 6 is turned on. The signal charges accumulated in the circuit are all reset.

이와 같은 CMOS 이미지 센서의 성능은 발생되는 잡음을 제어하는 기술 정도에 따라 결정되는데, CMOS 이미지 센서에서 발생되는 잡음은 크게 랜덤 잡 음(Random Noise)과 패턴 잡음(Pattern Noise)으로 구분될 수 있다.The performance of such a CMOS image sensor is determined by the degree of technology for controlling the generated noise, and the noise generated by the CMOS image sensor can be largely classified into random noise and pattern noise.

이와 같은 CMOS 이미지 센서의 잡음 발생은 센서의 동적 범위에 의해 주로 영향을 받는다.The noise generation of such CMOS image sensors is mainly affected by the dynamic range of the sensor.

이에 따라, 이미지 센서(Image Sensor)의 관련 기술분야에서 현재 이슈화 되고 있는 것은 광검출기의 동적 범위(dynamic range)와 광감도이다. 상기 이미지 센서가 사용되는 분야는 광범위하기 때문에, 어떠한 조건하에서도 좋은 이미지를 추출하기 위해서는 광검출기의 넓은 동적 범위 및 높은 광감도가 필수적이다.Accordingly, what is currently being issued in the related art of the image sensor is the dynamic range and light sensitivity of the photodetector. Since the field in which the image sensor is used is extensive, a wide dynamic range and high photosensitivity of the photodetector are essential for extracting a good image under any conditions.

그러나 현재까지의 기술로는 CMOS 이미지 센서의 잡음 발생을 억제할 수 있는 정도의 동적 범위를 갖는 구조를 구현하지 못하고 있다.However, the current technology does not implement a structure having a dynamic range that can suppress noise generation of the CMOS image sensor.

본 발명은 씨모스 이미지 센서(CMOS Image Sensor)의 픽셀 아웃 노드에 형성되는 NMOS, PMOS의 ON-OFF 특성을 이용하여 넓은 범위의 빛의 세기를 구분할 수 있도록 한 넓은 동적 범위을 갖는 씨모스 이미지 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention provides a CMOS image sensor having a wide dynamic range to distinguish a wide range of light intensities using the ON-OFF characteristics of NMOS and PMOS formed at the pixel out node of the CMOS image sensor. The purpose is to provide.

본 발명은 저전력, 저전압 환경에서 개선된 동작범위를 가지면서, 이전의 픽셀 구조보다 넓은 동적 범위(Wide Dynamic Range)을 갖는 CMOS 이미지 센서 픽셀 회로를 제공하는데 그 목적이 있다.It is an object of the present invention to provide a CMOS image sensor pixel circuit having an improved operating range in a low power, low voltage environment and having a wide dynamic range than the previous pixel structure.

본 발명은 PMOS와 NMOS의 On-Off 상보적 특성을 이용하여 4TR 또는 3TR의 능동 화소 구조(APS)의 저 전압에 따른 출력 동작범위 감소 및 신호대 잡음비(S/N) 저하, 잡음 전류에 따른 출력전압 변동증가 등의 문제를 해결하기 위한 넓은 동적 범위을 갖는 씨모스 이미지 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention uses the on-off complementary characteristics of PMOS and NMOS to reduce the output operating range, decrease the signal-to-noise ratio (S / N) according to the low voltage of the active pixel structure (APS) of 4TR or 3TR, and output according to the noise current. It is an object of the present invention to provide a CMOS image sensor having a wide dynamic range for solving a problem such as an increase in voltage variation.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 넓은 동적 범위을 갖는 씨모스 이미지 센서는 픽셀 아웃 노드와 접지 단자 사이에 구성되어 입사되는 빛에 의해 신호 전하를 생성하는 포토다이오드;상기 포토다이오드에서 생성된 신호 전하에 의해 포텐셜 레벨이 변화되는 픽셀 아웃 노드;상기 픽셀 아웃 노드에 게이트가 연결되고 한쪽 전극은 VDD 단자에 연결되어 상기 픽셀 아웃 노드의 포텐셜 변화에 의해 소오스단의 바이어스가 변화되는 셀렉트 트랜지스터;상기 셀렉트 트랜지스터에 직렬 연결되고 한쪽 전극이 칼럼 선택 라인에 연결되어, 게이트에 Row 선택 신호 입력 단자를 통하여 로우 선택 신호(Row_Selection)가 입력되면 상기 픽셀 아웃 노드의 포텐셜 레벨 변화에 따른 전위값을 컬럼 선택 라인으로 출력하는 액세스 트랜지스터;상기 픽셀 아웃 노드와 VDD 단자 사이에 서로 직렬 연결 구성되어 입사되는 빛의 세기에 따라 신호 전하의 오버플로우를 제어하는 제 1,2 동적 범위 제어 소자를 포함하고, 단위 픽셀이 구성되는 것을 특징으로 한다.The CMOS image sensor having a wide dynamic range according to the present invention for achieving the above object is a photodiode configured between the pixel out node and the ground terminal to generate a signal charge by the incident light; the signal generated by the photodiode A select transistor in which a potential level is changed by electric charge; a select transistor in which a gate is connected to the pixel out node and one electrode is connected to a VDD terminal, and a bias of a source terminal is changed by a potential change of the pixel out node; When a row select signal (Row_Selection) is input to the gate through a row select signal input terminal and the one electrode is connected to the column select line in series, the potential value according to the potential level change of the pixel out node is converted into the column select line. An access transistor outputting the pixel out Including first and second dynamic range control element for controlling the overflow of the signal charge according to the intensity of light incident to each other consists of series-connected between the VDD terminal and DE, is characterized in that the unit pixel is composed.

이와 같은 본 발명에 따른 넓은 동적 범위을 갖는 씨모스 이미지 센서는 다음과 같은 효과를 갖는다.Such CMOS image sensor having a wide dynamic range according to the present invention has the following effects.

첫째, CMOS 이미지 센서 픽셀에서 OFD 부분의 NMOS, PMOS의 ON-OFF 특징을 반영하여, 출력 전압이 최소 전압 값의 차이에 의해 넓은 범위의 빛의 세기를 구분할 수 있다.First, by reflecting the ON-OFF characteristics of the NMOS and PMOS of the OFD portion of the CMOS image sensor pixel, the output voltage can distinguish a wide range of light intensities by the difference in the minimum voltage value.

둘째, 넓은 동적 범위를 구현하여 저조도에서 출력 전압의 기울기를 크게 하여 감도 특성을 향상시킬 수 있다.Second, by implementing a wide dynamic range, the sensitivity of the output voltage can be improved by increasing the slope of the output voltage at low light.

셋째, 넓은 동적 범위를 구현하여 고조도에서 그 기울기가 작으나 광범위한 광의 세기에 걸쳐 변별을 가능하게 한다.Third, by implementing a wide dynamic range, the slope is small at high illuminance, but allows discrimination over a wide range of light intensities.

넷째, 센싱 가능한 광 세기의 범위을 decade 당 0.1V 이상의 Vout기울기로 규정할 경우 현재 구동 조건에서 1e-7 W/cm2 에서1e1 W/cm2 범위이므로 동적 범위를 160 dB(=20log(max/min))까지 확대할 수 있다.Fourth, sensing beomwieul of possible light intensity in the case be defined more than 0.1V per decade Vout inclination is present in driving conditions 1e-7 W / in cm 2 1e1 W / cm 2 range of 160 dB of dynamic range (= 20log (max / min You can zoom in to)).

이하, 본 발명에 따른 넓은 동적 범위을 갖는 씨모스 이미지 센서의 바람직 한 실시예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a preferred embodiment of the CMOS image sensor having a wide dynamic range according to the present invention will be described in detail.

본 발명에 따른 넓은 동적 범위을 갖는 씨모스 이미지 센서의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.Features and advantages of the CMOS image sensor having a wide dynamic range according to the present invention will become apparent from the detailed description of each embodiment below.

도 2는 본 발명에 따른 넓은 동적 범위을 갖는 CMOS 이미지 센서의 회로 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 넓은 동적 범위을 갖는 CMOS 이미지 센서의 단면 구성도이다.2 is a circuit diagram of a CMOS image sensor having a wide dynamic range according to the present invention, and FIG. 3 is a cross-sectional view of a CMOS image sensor having a wide dynamic range according to the present invention.

먼저, 게이트에 리셋 신호 입력 단자(21)를 통하여 리셋 신호가 인가되고 한쪽 전극은 픽셀 아웃 노드(25)에 연결되고 다른 쪽 전극은 VDD 단자(23)에 연결되는 리셋 트랜지스터(22)와, 게이트가 픽셀 아웃 노드(25)에 연결되고 한쪽 전극은 VDD 단자(23)에 연결되는 셀렉트 트랜지스터(24)와, 게이트에는 Row 선택 신호 입력 단자를 통하여 로우 선택 신호(Row_Selection)가 입력되고 상기 셀렉트 트랜지스터(24)에 직렬 연결되어 한쪽 전극이 칼럼 선택 라인에 연결되는 액세스 트랜지스터(27)와, 상기 픽셀 아웃 노드(25)와 접지 단자 사이에 구성되는 포토다이오드(26) 그리고 상기 픽셀 아웃 노드(25)와 VDD 단자(23) 사이에 서로 직렬 연결 구성되는 제 1,2 동적 범위 제어 소자(28)(29)를 포함하고 구성된다.First, a reset signal is applied to a gate through a reset signal input terminal 21, a reset transistor 22 having one electrode connected to the pixel out node 25 and the other electrode connected to the VDD terminal 23. Is connected to the pixel out node 25 and one electrode is connected to the VDD terminal 23, and a row selection signal Row_Selection is input to a gate through a row select signal input terminal. An access transistor 27 connected in series with one of the electrodes to a column select line, a photodiode 26 formed between the pixel out node 25 and the ground terminal, and the pixel out node 25. And first and second dynamic range control elements 28 and 29, which are connected in series with each other between the VDD terminals 23.

여기서, 제 1 동적 범위 제어 소자(28)는 PMOS 트랜지스터로 구성되고, 제 2 동적 범위 제어 소자(29)는 NMOS 트랜지스터로 구성된다.Here, the first dynamic range control element 28 is composed of a PMOS transistor, and the second dynamic range control element 29 is composed of an NMOS transistor.

상기와 같이 CMOS 이미지 센서의 픽셀 영역이 구성되고, 상기 픽셀 영역에 대응하여 센싱 영역이 구성된다.As described above, a pixel region of the CMOS image sensor is configured, and a sensing region is configured corresponding to the pixel region.

도 2에서와 같은 CMOS 이미지 센서의 픽셀 구조는 이전의 3TR 픽셀 동작과 크게 다르지 않으나, 픽셀 아웃 노드 상단에 PMOS 트랜지스터, NMOS 트랜지스터로 각각 구성된 제 1,2 동적 범위 제어 소자(28)(29)에 의해 넓은 동적 범위를 갖게 된다.The pixel structure of the CMOS image sensor as shown in FIG. 2 is not significantly different from the previous 3TR pixel operation, but the first and second dynamic range control elements 28 and 29 respectively composed of a PMOS transistor and an NMOS transistor on top of the pixel out node. This gives a wide dynamic range.

이와 같은 CMOS 이미지 센서의 픽셀 단면 구성은 도 3에서와 같다.The pixel cross-sectional structure of such a CMOS image sensor is as shown in FIG. 3.

그리고 이하에서 제 1,2 동적 범위 제어 소자(28)(29)가 연결되는 노드는 VDD로 광전류를 오버플로우(overflow)시켜 넓은 광 세기 범위을 관측할 수 있게 하는 부분으로 'OFD 노드'라 일컫는다.In the following description, a node to which the first and second dynamic range control elements 28 and 29 are connected is referred to as an 'OFD node' as a part that allows a wide light intensity range to be observed by overflowing a photocurrent with VDD.

이와 같은 본 발명에 따른 넓은 동적 범위를 갖는 CMOS 이미지 센서의 동작 특성을 살펴보면 다음과 같다.The operation characteristics of the CMOS image sensor having a wide dynamic range according to the present invention are as follows.

리셋 동작 후에 포토다이오드(26)에는 전원 전압(VDD)이 인가되므로, 오버플로우 회로인 제 1,2 동적 범위 제어 소자(28)(29)로 전류가 흐르지 않는다.Since the power supply voltage VDD is applied to the photodiode 26 after the reset operation, no current flows to the first and second dynamic range control elements 28 and 29 which are overflow circuits.

즉, OFD 단자는 VDD 전압이다. 그리고 입사된 광에 의해 포토다이오드(26)에 전자가 축적되면서 포토다이오드(26)의 전압은 VDD로부터 낮아진다.That is, the OFD terminal is the VDD voltage. As electrons are accumulated in the photodiode 26 by the incident light, the voltage of the photodiode 26 is lowered from VDD.

여기서, 제 2 동적 범위 제어 소자(29) 쪽을 살펴보면 OFD 노드가 드레인으로 게이트와 같은 전압으로 연결되고, 포토다이오드(26)는 제 2 동적 범위 제어 소자(29)의 소스이다. 그러므로 소스의 전압이 낮아지는 것이다.
이하의 설명에서 "Vth(NMOS)"는 NMOS 트랜지스터 문턱전압이고, "Vth(PMOS)"는 PMOS 트랜지스터 문턱전압을 의미한다.Here, looking at the second dynamic range control element 29, the OFD node is connected to the drain at the same voltage as the gate, and the photodiode 26 is a source of the second dynamic range control element 29. Therefore, the voltage at the source is lowered.
In the following description, "Vth (NMOS)" refers to the NMOS transistor threshold voltage, and "Vth (PMOS)" refers to the PMOS transistor threshold voltage.

제 2 동적 범위 제어 소자(29)인 NMOS 트랜지스터의 채널 전압은 OFD 노드의 전압에서 Vth(NMOS)를 뺀 값이다.The channel voltage of the NMOS transistor, which is the second dynamic range control element 29, is obtained by subtracting Vth (NMOS) from the voltage of the OFD node.

여기서, Vth(NMOS)는 포토다이오드(26)와 기판 사이의 전위차이 때문에 그에 따른 body effect가 고려된 문턱 전압이다. 결국 포토다이오드(26)에서 축적되는 전자가 OFD 노드로 넘어가기 위해서는 V(OFD)-Vth(NMOS) 만큼 포토다이오드(26)의 전압이 낮아져야 한다.Here, Vth (NMOS) is a threshold voltage considering the body effect due to the potential difference between the photodiode 26 and the substrate. As a result, in order for electrons accumulated in the photodiode 26 to pass to the OFD node, the voltage of the photodiode 26 must be lowered by V (OFD) -Vth (NMOS).

포토다이오드(26)의 전압이 VDD-Vth(NMOS) 이상으로 낮아지면 포토다이오드(26)의 전자가 OFD 노드로 오버플로우하여 OFD 노드의 전압을 낮춘다.When the voltage of the photodiode 26 is lowered above VDD-Vth (NMOS), electrons of the photodiode 26 overflow to the OFD node to lower the voltage of the OFD node.

그 이후로 OFD 노드의 전압은 V(Photodiode)-Vth(NMOS)로 축적되는 전자량에 의해 변화한다. 즉, OFD 전압이 낮아지면 게이트 전압이 낮아지고 채널 전압이 낮아져 오버플로우 할 수 있는 전위장벽을 높여 오버플로우를 억제한다.Since then, the voltage of the OFD node changes with the amount of electrons accumulated in V (Photodiode) -Vth (NMOS). In other words, when the OFD voltage is lowered, the gate voltage is lowered and the channel voltage is lowered to increase the potential barrier that can overflow, thereby suppressing the overflow.

제 2 동적 범위 제어 소자(29)는 소스와 게이트 사이의 전압이 Vth(NMOS) 이하로 유지시킴으로써 지속적으로 인버전(inversion) 상태로 넘어가지 않고 문턱 전압 이하(sub-threshold) 범위 안에서 작동하게 됨을 의미하기도 한다.The second dynamic range control element 29 maintains the voltage between the source and the gate below Vth (NMOS) so that it will operate within the sub-threshold range without continuously transitioning to an inversion state. It also means.

다른 한편, OFD 전압이 낮아지면 OFD 노드에 드레인과 게이트로 연결하고 있는 제 1 동적 범위 제어 소자(28)인 PMOS 트랜지스터는 OFD 전압이 VDD-Vth(PMOS)보다 낮아지기 전까지, 즉, 포토다이오드(26) 전압이 VDD-Vth(NMOS)로부터 VDD-Vth(NMOS)-Vth(PMOS) 만큼 낮아지기 전까지는 제 1 동적 범위 제어 소자(28)의 문턱 전압 이하(sub-threshold) 범위에서 동작하게 된다.On the other hand, when the OFD voltage is lowered, the PMOS transistor, which is the first dynamic range control element 28 connected to the drain and gate of the OFD node, is lowered until the OFD voltage is lower than VDD-Vth (PMOS), that is, the photodiode 26. The voltage is operated in the sub-threshold range of the first dynamic range control element 28 until the voltage is lowered from VDD-Vth (NMOS) to VDD-Vth (NMOS) -Vth (PMOS).

따라서, OFD 노드로 넘어온 전자가 OFD 전압을 낮추면 제 1 동적 범위 제어 소자(28)의 subthreshold 전류가 흘러 전자를 VDD 노드로 빼 내주어 OFD 전압을 증가시킨다.Therefore, when the electrons passed to the OFD node lower the OFD voltage, the subthreshold current of the first dynamic range control element 28 flows to draw the electrons to the VDD node to increase the OFD voltage.

그러므로 이때 OFD 전압은 포토다이오드(26) 전류가 제 1 동적 범위 제어 소자(28)의 subthreshold 전류와 동일하게 되는 전압으로 결정된다.Therefore, the OFD voltage is then determined to be the voltage at which the photodiode 26 current is equal to the subthreshold current of the first dynamic range control element 28.

만약, 광의 세기가 아주 세지면 제 1 동적 범위 제어 소자(28)의 인버전(inversion) 전류 범위에서 오버플로우 하여 작동하게 된다.If the intensity of the light is very high, it will overflow and operate in the inversion current range of the first dynamic range control element 28.

이와 같은 본 발명에 따른 넓은 동적 범위를 갖는 CMOS 이미지 센서의 동작을 축적 단계, 로우 오버플로우 단계, 하이 오버플로우 단계로 나누어 설명하면 다음과 같다.The operation of the CMOS image sensor having a wide dynamic range according to the present invention will be described by dividing into an accumulation step, a low overflow step, and a high overflow step.

도 4는 포토다이오드 전압에 따른 OFD 노드의 전압 및 전류 특성 시뮬레이션 분석 결과를 나타낸 그래프이고, 도 5는 본 발명에 따른 넓은 동적 범위을 갖는 CMOS 이미지 센서의 픽셀 아웃(Pixelout) 시뮬레이션 출력 파형도이다.FIG. 4 is a graph illustrating simulation results of voltage and current characteristic simulation of an OFD node according to a photodiode voltage, and FIG. 5 is a pixelout simulation output waveform diagram of a CMOS image sensor having a wide dynamic range according to the present invention.

그리고 도 6은 Sensing 영역에서 재조정되어 출력된 wide-dynamic Pixel Vout 시뮬레이션 파형도이고, 도 7은 Reset 5ms 에서 0.1 uW/cm2 ~ 10 W/cm2 범위에서Reset V값과 출력 V 값 시뮬레이션 결과 그래프이다.6 is a waveform diagram of a wide-dynamic Pixel Vout simulation readjusted and output in the sensing region, and FIG. 7 is a graph of a simulation result of Reset V and output V values in a range of 0.1 uW / cm 2 to 10 W / cm 2 at Reset 5 ms. to be.

그리고 도 8은 X 축 입력광 세기에 따른 Y축 V(reset 후) - V(reset 전)값에 따른 전압 그래프이다.8 is a voltage graph according to Y-axis V (after reset)-V (before reset) according to the X-axis input light intensity.

먼저, 축적 단계에서는 포토다이오드 전압이 VDD 전압에서 VDD-Vth(NMOS)까지는 광전류를 오버플로우 하지 않고 포토다이오드에 축적하여 광의 세기를 관측할 수 있음으로 감도의 손실이 없다. 이것은 저조도에서 감도의 손실 없이 넓은 동적 범위 특성을 구현할 수 있음을 의미한다. First, in the accumulation step, since the photodiode voltage accumulates in the photodiode without overflowing the photocurrent from the VDD voltage to VDD-Vth (NMOS), there is no loss of sensitivity. This means that a wide dynamic range characteristic can be realized at low light without loss of sensitivity.

그리고 로우 오버플로우(Low-overflow) 단계에서는 포토다이오드 전압이 VDD-Vth(NMOS)에서 VDD-Vth(NMOS)-Vth(PMOS)까지의 범위이며, 이 단계는 광전류가 제 1 동적 범위 제어 소자의 subthreshold 범위의 전류만큼 오버플로우 하여 포토다이오드의 전압이 결정된다. In the low-overflow phase, the photodiode voltage ranges from VDD-Vth (NMOS) to VDD-Vth (NMOS) -Vth (PMOS), where the photocurrent of the first dynamic range control element The voltage across the photodiode is determined by overflowing the current in the subthreshold range.

그리고 하이 오버플로우(High-overflow) 단계에서는 포토다이오드 전압이 VDD-Vth(NMOS)-Vth(PMOS)로부터 0까지의 범위이며, 이 단계는 광전류가 제 1 동적 범위 제어 소자의 인버전(inversion) 범위의 전류만큼 오버플로우하여 포토다이오드의 전압이 결정된다.In the high-overflow step, the photodiode voltage is in the range from VDD-Vth (NMOS) to Vth (PMOS) to zero, where the photocurrent is inversion of the first dynamic range control element. The voltage of the photodiode is determined by overflowing the current in the range.

이러한 포토다이오드 전압에 따른 OFD의 전압 및 전류 특성은 도 4에서와 같다.Voltage and current characteristics of OFD according to the photodiode voltage are as shown in FIG. 4.

본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서의 시뮬레이션 결과는 0.5㎛ 프로세서 파라미터를 이용하였으며, VDD 전압은 5V 환경하에 구동한 것이다.The simulation result of the CMOS image sensor according to the present invention uses a 0.5 μm processor parameter, and the VDD voltage is driven under a 5V environment.

여기서, 본 발명에 따른 넓은 동적 범위를 갖는 CMOS 이미지 센서의 구동 전압이 5V한정되는 것이 아님은 당연하다. 저전압화에 따라 3.3V 또는 1.8V의 구동 전압으로 구동되는 CMOS 이미지 센서에 본 발명의 기술이 적용될 수 있다.It is obvious that the driving voltage of the CMOS image sensor having a wide dynamic range according to the present invention is not limited to 5V. The technique of the present invention can be applied to a CMOS image sensor which is driven at a driving voltage of 3.3V or 1.8V in accordance with the low voltage.

그리고 픽셀의 적절한 출력 특성을 보기 위해 리셋 시간은 20ms을 주기로 하며, 외부의 빛의 세기는 1uV ~ 1V (1 uW/cm2~ 1000000 uW/cm2) 까지 로그 스케일로 포토다이오드에 인가하여 얻은 출력 파형은 도 5에서와 같다.In order to see the proper output characteristics of the pixel, the reset time is set to 20ms, and the external light intensity is applied to the photodiode on a log scale from 1uV to 1V (1 uW / cm2 to 1000000 uW / cm2). Same as in FIG. 5.

넓은 동적 범위 픽셀의 출력을 살펴보면, 외부에서 인가되는 빛(전압)에 따라 출력되는 전압의 스윙의 최소값이 틀린 것을 알 수 있다. 이러한 특징은 상기한 내용에서와 같이 OFD 부분의 NMOS, PMOS의 ON-OFF 특징이 반영된 것을 나타낸다.Looking at the output of a wide dynamic range pixel, it can be seen that the minimum value of the swing of the output voltage is incorrect according to the light (voltage) applied from the outside. This feature indicates that the ON-OFF characteristics of the NMOS and the PMOS of the OFD portion are reflected as described above.

이러한 최소 전압 값의 차이에 의해 넓은 범위의 빛의 세기를 구분하는 것이 가능하다.By the difference in the minimum voltage value, it is possible to distinguish a wide range of light intensities.

그리고 픽셀아웃에서 출력된 전압 파형은 센싱 범위내에서 적절한 전압 레벨로 재조정 되어진다.The voltage waveform output from the pixel out is readjusted to the appropriate voltage level within the sensing range.

도 6은 픽셀아웃에서 출력된 전압 파형을 센싱 범위에서 재조정하여 출력된 넓은 동적 범위의 픽셀 아웃(Wide-dynamic Pixel Vout) 시뮬레이션 출력 파형을 나타낸 것이다.FIG. 6 illustrates a wide dynamic range Vout simulation output waveform output by re-adjusting the voltage waveform output from the pixel out in the sensing range.

도 5와 도 6의 그래프를 비교하면, 픽셀아웃 전압 파형과 큰 차이가 없어 보이지만, 전압 스윙의 범위가 바뀐 것을 알 수 있다.Comparing the graphs of FIG. 5 and FIG. 6, it can be seen that there is no significant difference from the pixel-out voltage waveform, but the range of the voltage swing is changed.

픽셀구조에서 입력광의 세기에 따른 감도가 어느 정도인지 알아보기 위하여 Reset 타임을 5ms로 하며, 빛의 세기 0.1 uW/cm2 ~ 10 W/cm2 범위에서 Reset V값과 출력 V값 시뮬레이션 결과값은 도 7에서와 같다.The reset time is set to 5ms to determine the sensitivity according to the intensity of the input light in the pixel structure, and the reset V value and output V value simulation results are in the range of 0.1 uW / cm 2 to 10 W / cm 2 light intensity. Same as in FIG. 7.

즉, 이 시뮬레이션 결과 파형에서는 표 1에서와 같이 V(reset 후)과 V(reset 전)값이 중요한 의미를 갖는다.In other words, in this simulation result waveform, the values of V (after reset) and V (before reset) have important meanings as shown in Table 1.

기호sign 명칭designation V값V value AA Reset 후After reset 5.25.2 BB 1 uW/cm2 1 uW / cm 2 5.0285.028 CC 10uW/cm2 10uW / cm 2 5.0185.018 DD 100uW/cm2 100uW / cm 2 4.8854.885 EE 1000uW/cm2 1000uW / cm 2 3.493.49 FF 10000uW/cm2 10000uW / cm 2 3.3433.343 GG 100000uW/cm2 100000uW / cm 2 3.1923.192 HH 1000000uW/cm2 1000000uW / cm 2 3.0283.028 II 10000000uW/cm2 10000000uW / cm 2 2.8362.836 JJ 100000000uW/cm2 100000000uW / cm 2 2.5932.593

도 8은 출력 파형의 결과값을 계산하여 입력 광의 세기에 따른 출력 전압[V(reset 후) - V(reset 전)] 특성을 보여주고 있다.8 shows the output voltage (V (after reset)-V (before reset)) characteristics according to the intensity of the input light by calculating the output value of the output waveform.

저조도에서 출력 전압의 기울기가 크고 감도가 좋음을 보여주며, 고조도에서는 그 기울기가 작으나 광범위한 광의 세기에 걸쳐 변별이 가능함을 보여준다.At low light, the output voltage has a large slope and good sensitivity, while at high light, the slope is small but can be distinguished over a wide range of light intensities.

센싱 가능한 광 세기의 범위을 decade 당 0.1V 이상의 Vout기울기로 규정할 경우 현재 구동 조건에서 1e-7 W/cm2 에서1e1 W/cm2 범위이므로 dynamic range는 160 dB(=20log(max/min))까지 가능함을 보여주고 있다. When the range of light intensity that can be sensed is defined as Vout slope of 0.1V or more per decade, the dynamic range is 160 dB (= 20log (max / min)) because it is in the range of 1e-7 W / cm 2 to 1e1 W / cm 2 under the current driving conditions. It shows that possible.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 넓은 동적 범위를 갖는 CMOS 이미지 센서는 픽셀 아웃 노드에 형성되는 NMOS, PMOS로 이루어진 제 1,2 동적 범위 제어 소자의 ON-OFF 특성을 이용하여 넓은 범위의 빛의 세기를 구분할 수 있게 한다.The CMOS image sensor having a wide dynamic range according to the present invention described above uses the ON-OFF characteristics of the first and second dynamic range control elements formed of NMOS and PMOS formed at the pixel out node, thereby providing a wide range of light intensity. Make it distinguishable.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the embodiments, but should be defined by the claims.

도 1은 일반적인 CMOS 이미지 센서의 3TR 구조의 픽셀 구성도1 is a pixel configuration diagram of a 3TR structure of a general CMOS image sensor

도 2는 본 발명에 따른 넓은 동적 범위을 갖는 CMOS 이미지 센서의 회로 구성도2 is a circuit diagram of a CMOS image sensor having a wide dynamic range according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따른 넓은 동적 범위을 갖는 CMOS 이미지 센서의 단면 구성도3 is a cross-sectional view of a CMOS image sensor having a wide dynamic range according to the present invention

도 4는 포토다이오드 전압에 따른 OFD 노드의 전압 및 전류 특성 시뮬레이션 분석 결과를 나타낸 그래프4 is a graph showing a simulation result of voltage and current characteristics of an OFD node according to a photodiode voltage

도 5는 본 발명에 따른 넓은 동적 범위을 갖는 CMOS 이미지 센서의 픽셀 아웃(Pixelout) 시뮬레이션 출력 파형도5 is a pixelout simulation output waveform diagram of a CMOS image sensor having a wide dynamic range according to the present invention.

도 6은 Sensing 영역에서 재조정되어 출력된 wide-dynamic Pixel Vout 시뮬레이션 파형도FIG. 6 is a waveform diagram of a wide-dynamic Pixel Vout simulation output after being readjusted in a sensing region. FIG.

도 7은 Reset 5ms 에서 0.1 uW/cm2 ~ 10 W/cm2 범위에서Reset V값과 출력 V 값 시뮬레이션 결과 그래프7 is a graph of simulation results of reset V and output V values in a range of 0.1 uW / cm 2 to 10 W / cm 2 at Reset 5 ms.

도 8은 X 축 입력광 세기에 따른 Y축 V(reset 후) - V(reset 전)값에 따른 전압 그래프8 is a voltage graph according to the value of Y axis V (after reset)-V (before reset) according to the X-axis input light intensity

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for the main parts of the drawings

21. 리셋 신호 입력 단자 22. 리셋 트랜지스터21. Reset signal input terminal 22. Reset transistor

23. VDD 단자 24. 셀렉트 트랜지스터23.VDD terminal 24.Select transistor

25. 픽셀 아웃 노드 26. 포토다이오드25. Pixel Out Node 26. Photodiode

27. 액세스 트랜지스터 28. 제 1 동적 범위 제어 소자27. Access Transistor 28. First Dynamic Range Control Element

29. 제 2 동적 범위 제어 소자29. Second Dynamic Range Control Element

Claims (6)

픽셀 아웃 노드와 접지 단자 사이에 구성되어 입사되는 빛에 의해 신호 전하를 생성하는 포토다이오드;A photodiode configured between the pixel out node and the ground terminal to generate signal charges by incident light; 상기 포토다이오드에서 생성된 신호 전하에 의해 포텐셜 레벨이 변화되는 픽셀 아웃 노드;A pixel out node whose potential level is changed by a signal charge generated in the photodiode; 상기 픽셀 아웃 노드에 게이트가 연결되고 한쪽 전극은 VDD 단자에 연결되어 상기 픽셀 아웃 노드의 포텐셜 변화에 의해 소오스단의 바이어스가 변화되는 셀렉트 트랜지스터;A select transistor having a gate connected to the pixel out node and one electrode connected to a VDD terminal, the bias of the source terminal being changed by a potential change of the pixel out node; 상기 셀렉트 트랜지스터에 직렬 연결되고 한쪽 전극이 칼럼 선택 라인에 연결되어, 게이트에 Row 선택 신호 입력 단자를 통하여 로우 선택 신호(Row_Selection)가 입력되면 상기 픽셀 아웃 노드의 포텐셜 레벨 변화에 따른 전위값을 컬럼 선택 라인으로 출력하는 액세스 트랜지스터;When a row selection signal (Row_Selection) is input to a gate through a row selection signal input terminal, the potential value according to the potential level change of the pixel out node is selected. An access transistor outputting to a line; 상기 픽셀 아웃 노드와 VDD 단자 사이에 서로 직렬 연결 구성되어 입사되는 빛의 세기에 따라 신호 전하의 오버플로우를 제어하는 제 1,2 동적 범위 제어 소자를 포함하고, 단위 픽셀이 구성되는 것을 특징으로 하는 넓은 동적 범위을 갖는 씨모스 이미지 센서.And a first and second dynamic range control elements configured to be connected in series with each other between the pixel out node and the VDD terminal to control the overflow of the signal charge according to the intensity of incident light, wherein the unit pixel is configured. CMOS image sensor with wide dynamic range. 제 1 항에 있어서, 제 1 동적 범위 제어 소자는 PMOS 트랜지스터이고,The device of claim 1, wherein the first dynamic range control element is a PMOS transistor, 제 2 동적 범위 제어 소자는 소오스가 상기 픽셀 아웃 노드에 연결되는 NMOS 트랜지스터이고,The second dynamic range control element is an NMOS transistor whose source is connected to the pixel out node, 상기 트랜지스터들은 오버플로우 드레인(OFD) 노드를 통하여 직렬 연결되고, 각각의 트랜지스터의 게이트는 상기 오버플로우 드레인(OFD) 노드에 공통으로 연결되고,The transistors are connected in series through an overflow drain (OFD) node, the gate of each transistor is commonly connected to the overflow drain (OFD) node, 상기 오버플로우 드레인(OFD) 노드는 상기 제 1,2 동적 범위 제어 소자의 동작에 따라 포토다이오드에서 생성된 신호 전하를 오버플로우 시키는 노드인 것을 특징으로 하는 넓은 동적 범위을 갖는 씨모스 이미지 센서.The overflow drain (OFD) node is a CMOS image sensor having a wide dynamic range, characterized in that the node overflows the signal charge generated in the photodiode according to the operation of the first and second dynamic range control element. 제 1 항에 있어서, 단위 픽셀에,The method of claim 1, wherein in the unit pixel, 게이트에 리셋 신호 입력 단자를 통하여 리셋 신호가 인가되고 한쪽 전극은 픽셀 아웃 노드에 연결되고 다른 쪽 전극은 VDD 단자에 연결되어 상기 전위값의 검출 후에 픽셀 아웃 노드에 축적된 신호 전하를 리셋시키는 리셋 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 넓은 동적 범위을 갖는 씨모스 이미지 센서.A reset signal is applied to the gate through a reset signal input terminal, one electrode is connected to the pixel out node, and the other electrode is connected to the VDD terminal to reset the signal charge accumulated in the pixel out node after the detection of the potential value. CMOS image sensor having a wide dynamic range, characterized in that it further comprises. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 제 1,2 동적 범위 제어 소자에 의해,The method according to claim 1 or 2, wherein, by the first and second dynamic range control elements, 신호 전하의 축적 단계에서 포토다이오드 전압이 VDD 전압에서 VDD-(Vth(NMOS);NMOS 트랜지스터 문턱전압)까지의 구간에서는 광전류를 오버플로우 하지 않고 포토다이오드에 축적하는 것을 특징으로 하는 넓은 동적 범위을 갖는 씨모스 이미지 센서.In the accumulation of signal charge, the photodiode voltage accumulates in the photodiode without overflowing the photocurrent in the section from the VDD voltage to the VDD- (Vth (NMOS); NMOS transistor threshold voltage). Morse image sensor. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 제 1,2 동적 범위 제어 소자에 의해,The method according to claim 1 or 2, wherein, by the first and second dynamic range control elements, 로우 오버플로우(Low-overflow) 단계에서의 포토다이오드 전압은 VDD-(Vth(NMOS);NMOS 트랜지스터 문턱전압)에서 VDD-(Vth(NMOS);NMOS 트랜지스터 문턱전압)-(Vth(PMOS);PMOS 트랜지스터 문턱전압)까지의 범위가 되고, 광전류가 제 1 동적 범위 제어 소자의 subthreshold 범위의 전류만큼 오버플로우 하여 포토다이오드의 전압이 결정되는 것을 특징으로 하는 넓은 동적 범위을 갖는 씨모스 이미지 센서.The photodiode voltage in the low-overflow phase is from VDD- (Vth (NMOS); NMOS transistor threshold voltage) to VDD- (Vth (NMOS); NMOS transistor threshold voltage)-(Vth (PMOS); PMOS A transistor threshold voltage), and the photocurrent overflows by a current in the subthreshold range of the first dynamic range control element so that the voltage of the photodiode is determined. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 제 1,2 동적 범위 제어 소자에 의해,The method according to claim 1 or 2, wherein, by the first and second dynamic range control elements, 하이 오버플로우(High-overflow) 단계에서의 포토다이오드 전압은 VDD-(Vth(NMOS);NMOS 트랜지스터 문턱전압)-(Vth(PMOS);PMOS 트랜지스터 문턱전압)로부터 0까지의 범위가 되고, 광전류가 제 1 동적 범위 제어 소자의 인버전(inversion) 범위의 전류만큼 오버플로우하여 포토다이오드의 전압이 결정되는 것을 특징으로 하는 넓은 동적 범위을 갖는 씨모스 이미지 센서.The photodiode voltage in the high-overflow phase ranges from VDD- (Vth (NMOS); NMOS transistor threshold voltage)-(Vth (PMOS); PMOS transistor threshold voltage) to 0, and the photocurrent The CMOS image sensor having a wide dynamic range, characterized in that the voltage of the photodiode is determined by overflowing the current in the inversion range of the first dynamic range control element.
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